CN111183119A - 通过横焰熔融炉使诸如玻璃的原材料熔融的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了横焰熔融炉和通过横焰熔融炉(10)使原材料熔融的方法，所述横焰熔融炉(10)具有熔融槽(7)、熔融室(8)、与N个第一燃烧器(11、…、16)相关联的N个第一端口(31、…、36)；N个第二端口(41、…、46)、辅助燃料喷射器，所述辅助燃料喷射器用于将熔融所需的一部分的燃料作为在再循环燃烧产物的方向上的辅助燃料在没有额外的氧化剂的情况下在所述再循环燃烧产物的流动方向上并且以选择的速度引入所述再循环燃烧产物中，使得X2在被进入所述炉的氧化剂燃烧之前与再循环燃烧产物混合。

Description

通过横焰熔融炉使诸如玻璃的原材料熔融的方法

发明背景

发明领域

本发明涉及适用于使诸如玻璃的原材料在横焰炉中熔融的方法的燃烧方法，并且更具体地涉及旨在减少原材料熔融期间使用的火焰中氮氧化物(NOx)的形成的方法。

本发明还涉及实施旨在减少NOx的排放的此类方法的横焰熔融炉。

相关技术的描述

用于生产不同类型的玻璃或其它材料的几种类型的熔融炉是已知的，包括横焰炉。

在本说明书中可以使用以下术语。以下定义仅通过实例的方式给出：

-熔融炉，例如玻璃熔融炉：由被燃烧室覆盖的熔融材料浴组成，在燃烧室中燃料被燃烧以产生用于使原材料熔融的热量。

-蓄热式熔融炉(regenerative melting furnace)，例如蓄热式玻璃熔融炉：装配有连接至排出端口和入口端口的填充室并且以规律的间隔反转点燃方向，使得排出气体加热填充物并且氧化剂(例如燃烧空气)交替地被填充物加热的炉子。

-回热式熔融炉(recuperative melting furnace)，例如回热式玻璃熔融炉：在一个方向上连续点燃的炉，其中氧化剂被单独的回热式热交换器加热。

-横焰炉：其中引入氧化剂的入口端口和排出端口位于相对的侧壁上的玻璃熔融炉。横向于玻璃流发生点燃。

-横焰炉的后壁：横向壁，将原料通过横向壁供给。

-前壁：与后壁相对的壁，通常浴中的熔融材料在前壁下方被排出。

-端口：用于将氧化剂引入熔融室的通道(所谓的“入口端口”)或用于从熔融室去除燃烧产物的通道(所谓的“排出端口”)。

-燃烧器：与通常喷射用于使原材料熔融的燃料的端口或多个端口相关联的装置。可以存在与给出的端口相关联的多于一个的燃烧器。燃烧器可以位于以下位置中：在端口下-燃烧器位于端口下方，端口的侧边-燃烧器位于端口的侧边，贯穿端口-燃烧器位于端口内。

-辅助燃料：供给至辅助喷射器的燃料，其可以是使供给至辅助喷射器的原材料熔融所需的总燃料的一定比例。

-辅助燃料喷射器：将辅助燃料喷射进入熔融室中的装置。

-燃烧产物：由燃料与氧化剂的燃烧产生的气体，典型地具有小于5％，并且更典型地小于2.5％的氧的比例。

-再循环燃烧产物：在顶部与火焰之间的空间中，朝向入口端口返回的燃烧产物流。在横焰炉中，这种流处于水平面中。

-生物燃料：来自可再生生物质的燃料。生物燃料可以是气体、液体或固体。

-氧化剂：用于使燃料燃烧的流体，通常是空气。

在横焰蓄热式炉中，两组端口布置在相对的侧壁上，并且将燃烧器在一侧上并且然后在另一侧上每侧约10分钟至30分钟交替地操作。通常通过先前循环中产生的燃烧产物预热氧化剂(例如空气)(蓄热原则)。在第一时间段期间，将燃料和氧化剂供应至仅两组端口中的第一组，其中氧化剂经由蓄热器供应，而热废气(或燃烧产物)经由另一组端口以及其关联的蓄热器排出。在交替的第二时间段期间，将燃料和氧化剂(例如空气)供应至两组端口中的另一组，同时燃烧产物经由第一组端口排出。

因此，将端口以入口端口和排出端口的功能交替地操作。热交换器或蓄热器连接在氧化剂的供应路径中的端口的供应开口的上游。在排出端口的下游发现类似的蓄热器。当反转点燃方向时，先前循环期间储存在排出蓄热器中的排出气体热量用于加热进入的新鲜氧化剂。

热量回收至进入的氧化剂中的这种过程增加了熔融炉的热效率并且确保实现使原材料熔融所需的高温(约1500℃、2700°F)。

当氧化剂是空气时，如工业玻璃熔融炉中通常的情况，氮氧化物(NOx)(管控的空气污染物)通常在燃料和氧化剂混合物的燃烧期间出现。空气中的氮与空气中的氧在玻璃熔融炉火焰中的高温下结合以形成“热NOx(thermal NOx)”。在蓄热式玻璃熔融炉的情况下，排出气体中的NOx的浓度在8％O2(用于比较NOx排放的标准条件)下典型地为750mg/Nm3至2500mg/Nm3。

在世界许多地区，尝试降低排出气体中的氮氧化物部分以满足当前或将来的排放法规设定的在8％O2下500mg/Nm3的限度是重要的。这需要“目前发现的”NOx排放减少30％至80％。

通常展开以减少来自玻璃熔融炉(或其它类型的炉)的NOx排放的选择是排出气体的后处理。然而，此类排出气体净化装置是昂贵的并且构成了需要额外的空间以及高操作和维护成本的额外的设备。典型地，在大型横焰玻璃熔融炉上实现高达90％NOx还原的选择性催化还原(SCR)装置具有几百万欧元的资本成本和几十万欧元的年度操作成本。每年需要更换约1/3的催化剂。它还需要使用尿素或氨(NH3)作为还原剂，后者为本身是被管控的污染物的气体。较低资本的替代方案是在排出蓄热器内进行的选择性非催化还原(SNCR)。SNCR使用氨或尿素与NOx反应并且分解NOx。它必须在870℃至1090℃的非常特定的温度下进行。高于该温度，氨反应以产生更多的NOx，而低于该温度，氨离开蓄热器而未反应以添加至来自装置的排放物中。在反向蓄热式玻璃熔融炉上，仅对于在蓄热器中的任何给定位置处的一小部分的蓄热循环存在有效SNCR的正确条件。这使得SNCR非常无效。

Tsai(EP0882488和US5893940)将额外的燃料和氧化剂引入排出气体中，以试图稳定它们进入蓄热式热交换器的温度，并且因此延长SNCR有效的炉循环的部分。此方法可行，但很难将温度控制在所需范围内。因此，Tsai的方法的有效性是有限的，并且此外，通过将炉的燃料消耗和CO2排放增加几个百分点，增加了氨的消耗。

在排出气体离开熔融室之后清理排出气体的更成功的方法是向废气中或在熔融室内添加过量的燃料，使得没有足够的氧化剂可用于完全燃烧。在这种情况下，在废气(还原气氛)中形成一氧化碳(CO)和氢(H)，并且这些在排出端口中和在蓄热器内将NOx还原成氮气(N2)和二氧化碳(CO2)和水(H2O)。必须在蓄热器的下游端部引入空气(有时称为“过燃烧空气”)以燃烧过量的CO(另一种管控的污染物)并且试图回收在额外的燃料中损失的部分热量。

称为“再燃烧”技术的这种方法最初由Quirk提出(EP0599548-所谓的3R工艺)，其在排出端口中或排出端口附近使用无焰燃烧器引入过量燃料。然而，尽管它具有以非常低的资本成本实现所需的80％的NOx减少的可能性，但这是以燃料消耗和CO2排放增加5％至15％为代价。3R方法还在蓄热器上施加化学和热应力，导致蓄热器寿命降低。由于这些原因，这种方法已经几乎被玻璃工业放弃。

在改善这种使燃料再燃烧的技术的尝试中，Ichiraku(JP08208240)提出了在蓄热器中使用补燃(after-burning)来减少NOx的方法。在这种方法中，过量的燃料通过冠部或排出端口中的喷射器被喷射进入炉中。通过常规燃烧器形成的NOx在高度还原气氛中进入蓄热器，这导致NOx分解成氮和二氧化碳。这种“补燃”反应需要一定的时间，该反应通常通过蓄热器部分地完成。此时，可以喷射空气以在相对低的温度下燃烧过量的燃料。产生的一些热量通过蓄热器回收，并且一些热量在较高温度的气体中从蓄热器离开。该技术类似于Quirk 3R工艺，但在3R中将过量的气体喷射至排出端口颈部。它具有类似的缺点，并且没有被广泛的应用。

总之，虽然以上讨论的所有排出气体清洁方法都能够实现高达80％的所需NOx减少，但它们仅以高资本成本或高运行成本或在一些情况下以二者为代价来实现。此外，Quirk和Ichiraku方法导致CO2排放的大量(约10％)增加。

替代方法是减少或避免熔融室中形成NOx。燃烧器调节(包括减少过量的氧化剂(去除用于NOx形成反应的可用的氧)和延长火焰(降低峰值火焰温度和因此降低NOx形成的速率)是可行的，但在废气中出现高水平的CO之前，通常将产生不高于10％至20％的减少。这种或相关的炉输出损失阻止了它们的进一步使用。

Moreau(US 6047565)提出在通过入口端口进入的氧化剂与通过燃烧器进入的燃料之间产生惰性气体的“覆盖层(blanket)”，从而延迟在主火焰中产生较低温度的主燃料的燃烧，并且因此减少NOx的形成。该方法仅适用于下端口点燃布置,其中燃料通过位于氧化剂端口下方并且氧化剂流流经它们的一个或多个燃烧器引入。Moreau提出了产生这种“覆盖层”的各种方法。通常，通过在主燃料射流与氧化剂之间以低速度引入少量(通常为5％且总是小于30％)的燃料，在燃烧入口端口中或下方形成“覆盖层”。所述方法可以产生过长的火焰，其在炉中不完全燃烧，并且可能在玻璃表面导致不希望的还原条件。US6047565提出了通过在主燃料射流与熔融玻璃表面之间喷射氧或空气的高压射流来克服这些不希望的作用的方法。这是非常复杂的布置,难以控制。通过氧化剂端口和补充氧喷枪供应的总氧化剂被保持在接近或低于完全燃烧所需的量。这种富燃料操作也有助于减少NOx，但发明人没有给出该方法减少NOx的有效性的指示。

Nakamura(JP 05180409)通过经由两个喷射器喷射部分燃料来减少NOx的形成，所述两个喷射器位于与燃烧空气入口端口相同的壁上，位于邻近该口的位置处，并且以与空气和火焰相同的方向定向。来自两个喷射器的燃料与再循环废气混合，所述废气的氧含量低并且因此在较低的温度下缓慢燃烧，导致较低的NOx形成。实际上，难以将喷射器装配在该位置处。由于进入的氧化剂流的接近，在遇到燃烧空气并且与燃烧空气混合之前，喷射器燃料与燃烧产物混合的可用距离不足，从而降低了Nakamura喷射方法的有效性。

文件Demarest(US 4599100)公开了使用过量空气燃烧操作横焰熔融炉的方法。在该文件中，通过额外的燃烧器引入额外的燃料以消耗过量的空气。在该文件中，额外的燃料的喷射使得过量空气的减少位于火焰的顶部，使得火焰与玻璃之间的区域保持氧化，并且来自炉的废气仍然含有一些过量的空气。由于过量空气的总量通常为20％，额外的燃料的量必须小。为了实现显著的NOx减少，必须将总的过量空气减少至非常接近化学计量，这不可能使用所述技术。Demarest没有规定使用这种方法可获得的NOx减少的量。

Ward(WO 2008/074961 A2)公开了用于使玻璃熔融的燃烧方法，其中将相同性质或不同性质的两种燃料通过在彼此远离的两个位置处的燃烧器和辅助喷射器供给进入熔融室中，用于将燃烧器燃料和辅助燃料分配在熔融室中，以便减少NOx排放，氧化剂仅在燃烧器的位置处供应。所述方法利用了占据进入的氧化剂其燃烧器火焰上方大部分空间的再循环燃烧产物流。端口和燃烧器的设计使得这些火焰靠近熔融玻璃的表面，而炉的其余部分被再循环排出气体填充，Ward将部分燃料喷射进入再循环排出气体中。根据Ward，通过燃烧器供应的一部分(10％至100％)的燃料被去除，并且以这样的方式和在这样的位置处被引入再循环燃烧产物中，以便它们在遇到入口端口上方的进入的氧化剂并且在其中完全燃烧之前与贫氧燃烧产物完全混合并且在其中部分燃烧，该过程被称为辅助喷射。

可以改善Ward的再循环燃烧产物的使用。

发明目的

本发明提出并且要求保护新的辅助喷射配置，以防止NOx的产生，并且进一步改善Ward(WO2008/074961 A2)的燃烧方法。

发明概述

待解决的技术问题是提供用于横焰熔融炉的燃烧方法，所述方法解决了以上提及的问题或缺点并且特别是减少了NOx的产生，同时保持了横焰熔融炉的熔融材料的输出和量。

具体地，本发明旨在以低成本降低排出气体的氮氧化物部分，并且在保持或改善熔融方法的同时不引入麻烦的额外的设备。

在所附权利要求中限定本发明。

本发明提供通过横焰熔融炉使原材料熔融的方法，所述横焰熔融炉具有：

-熔融槽，所述熔融槽用于接收待熔融的原材料并且用于容纳熔融的材料浴；

-熔融室，所述熔融室位于所述熔融槽上方并且包括第一侧壁、与所述第一侧壁相对的第二侧壁、位于所述熔融槽的上游区域处的后壁、位于所述熔融槽的下游区域处的前壁，以及顶部；

-N个第一端口，所述N个第一端口提供在所述第一侧壁中的所述后壁与所述前壁之间的水平间隔的位置中，所述至少一系列的N个第一端口中的每一个与一系列的N个第一燃烧器中的对应的第一燃烧器相关联；

-N个第二端口，所述N个第二端口位于所述第二侧壁中的所述后壁与所述前壁之间的水平间隔的位置中，所述N个第二端口中的每一个位于第一端口的对面以限定N对第一端口和第二端口；

其中再循环燃烧产物在火焰上方以基本上垂直的回路流动；

所述方法包括：

将第一部分X1的燃料经由所述第一燃烧器引入所述熔融室中，

使用至少一个辅助燃料喷射器引入第二部分X2的辅助燃料，其中X2+X1等于1，所述至少一个辅助燃料喷射器布置在所述横焰熔融炉中的所述顶部中或不包括引入燃料的燃烧器的所述侧壁中，使得所述至少一个辅助燃料喷射器将所述第二部分X2的辅助燃料，

在所述再循环燃烧产物的所述流动方向上，

在没有额外的氧化剂的情况下，

引入所述再循环燃烧产物中，所述辅助燃料喷射器位于其中所述第二部分X2的辅助燃料将在到达通过端口引入的进入的氧化剂之前与所述再循环燃烧产物混合的位置处，

调整引入所述部分X1的燃料和所述部分X2的辅助燃料的射流的速度，使得它们对应的射流动量的总和为与当X2等于零(并且X1等于1)时所述燃料的射流动量对应的值的-30％至+30％，以及

将第一部分的燃料X1和第二部分的燃料X2的总和的量提供的能量调整成产生用于使所述材料熔融而不使所述炉的燃料供应过量的给定的需要的能量。

燃料供应过量是指引入超过可以被可利用的氧化剂燃烧的燃料量的燃料。在燃料被添加至熔融室中的现有技术的解决方案中可能出现燃料供应过量，例如在Ichiraku中。

因此，将第二部分的辅助燃料X2以增强再循环燃烧产物的流动的方式引入再循环燃烧产物中，确保辅助燃料的有效稀释以减少NOx的形成。

这是由引入部分X2的辅助燃料的辅助燃料射流的位置和方向，以及辅助喷射的速度导致的。应注意，在文件Ward中没有公开这个特征，文件Ward没有记载如何引入辅助燃料。事实上，在文件Ward中，可以减少通过燃烧器引入的燃料的量，以便通过辅助燃料喷射器引入其它量的燃料。然而，减少通过燃烧器引入的燃料的量减少了再循环燃烧产物的质量流量。本发明的发明人已经发现，通过改变辅助燃料的喷射方向和速度以及燃料离开燃烧器的速度，可以保持再循环燃烧产物的质量流量，并且因此获得更好的NOx减少效果，而没有使炉的燃料供应过量。

技术人员知道如何针对给定的炉和应用确定使材料有效地熔融所需的能量。两种流体的动量之和可以从该能量(正或负30％)推导出。此外，可以选择部分X1和部分X2以便获得所需水平的NOx减少。

与需要与化学计量条件相比改变过量氧水平的现有技术的已知的解决方案相反，本发明可以在针对炉和针对特定熔融应用(其中X2等于零)的现有的过量的氧水平内操作。

应注意，表述“X2+X1等于1”等同于以下表述：熔融室中每单位时间引入的燃料的量(例如，质量)(或每单位时间对应的能量)将在通过燃烧器引入的燃料与辅助燃料之间分配或基本上分配。

此外，与当X2等于零时的燃料的射流动量对应的值与当仅使用燃烧器喷射燃料以操作炉并且使相同的材料熔融时的值对应。因此，该值与这种应用的炉的正常运作对应。

根据具体实施方案，所述至少一个辅助燃料喷射器位于所述顶部中距第一端口和与第一端口相对的第二端口距离相同。

根据具体实施方案，所述第二系列的N个第二端口中的每一个与一系列的N个第二燃烧器中的对应的第二燃烧器相关联，以及

所述第一端口和所述第二端口可交替地操作作为入口端口和作为排出端口，当所述第二端口是排出端口时，所述第一端口是入口端口，并且当所述第二端口是入口端口时，所述第一端口是排出端口。

根据具体实施方案，成对的第一辅助燃料喷射器和第二辅助燃料喷射器与每一对相对布置的第一端口和第二端口相关联，所述第一辅助燃料喷射器和第二辅助燃料喷射器位于所述顶部中或分别位于所述第一侧壁和所述第二侧壁中(在相关联的成对的相对布置的第一端口和第二端口中的第一端口和第二端口的附近)，使得所述第一辅助燃料喷射器和第二辅助燃料喷射器可交替地操作以喷射所述第二部分X2的辅助燃料，当位于所述第一辅助燃料喷射器或第二辅助燃料喷射器附近的对应的第一端口或第二端口是排出端口时，所述第一辅助燃料喷射器或所述第二辅助燃料喷射器是可操作的。

根据具体实施方案，所述第一燃烧器和所述第二燃烧器以及所述至少一个辅助燃料喷射器用相同的燃料操作。

在这种具体实施方案中，一部分的燃料被送至燃烧器，并且其余部分被送至至少一个辅助燃料喷射器。

根据具体实施方案，一方面的所述第一燃烧器和所述第二燃烧器以及另一方面的所述至少一个辅助燃料喷射器分别用不同的燃料操作。

在这种具体实施方案中，与将在燃烧器与至少一个辅助燃料喷射器之间分配的能量的量对应地使用两种燃料。

根据具体实施方案，一方面的所述第一燃烧器和所述第二燃烧器以及另一方面的所述至少一个辅助燃料喷射器分别用选自天然气、LPG、燃料油、焦炉气、高炉气、重整气、生物燃料、甲烷和氢的燃料操作。

根据具体实施方案，所述至少一个辅助燃料喷射器包括将喷射的辅助燃料设置成旋转以产生涡流效应的装置。

根据具体实施方案，所述至少一个辅助燃料喷射器包括调整或改变喷射的辅助燃料的射流动量的装置。例如，这可以通过使用燃料、空气或惰性气体的加压射流，或与辅助燃料射流同心的蒸气来实现。

根据具体实施方案，所述第二部分X2的辅助燃料为第一部分X1的燃料和第二部分X2的燃料的总和的10％至100％。

根据具体实施方案，所述方法包括引入第二部分的辅助燃料X2，以便加强再循环燃烧产物的质量流量。

根据具体实施方案，所述方法包括调整或关闭一些燃烧器，以便加强再循环燃烧产物的质量流量。

根据具体实施方案，引入第二部分X2的辅助燃料的射流的速度为10m/s至70m/s。

根据具体实施方案，第一辅助喷射器位于距最接近第一辅助喷射器的侧壁小于熔融室的宽度的一半且大于熔融室的宽度的四分之一的距离处，并且第二辅助喷射器位于距最接近第二辅助喷射器的侧壁(即，与最接近第一辅助喷射器的侧壁相对的侧壁)为熔融室的宽度的四分之一处。

本发明还提供横焰熔融炉，其包括：

-熔融槽，所述熔融槽用于接收待熔融的原材料并且用于容纳熔融的材料浴；

-熔融室，所述熔融室位于所述熔融槽上方并且包括第一侧壁、与所述第一侧壁相对的第二侧壁、位于所述熔融槽的上游区域处的后壁、位于所述熔融槽的下游区域处的前壁，以及顶部；

-N个第一端口，所述N个第一端口提供在所述第一侧壁中的所述后壁与前壁之间的水平间隔的位置中，所述至少一系列的N个第一端口中的每一个与一系列的N个第一燃烧器中的对应的第一燃烧器相关联，所述N个第一燃烧器将第一部分X1的燃料经由所述第一燃烧器引入所述熔融室中，而再循环燃烧产物在火焰上方以基本上垂直的回路流动；

-N个第二端口，所述N个第二端口位于所述第二侧壁中的所述后壁与所述前壁之间的水平间隔的位置中，所述N个第二端口中的每一个位于第一端口的对面以限定N对第一端口和第二端口；

-至少一个辅助燃料喷射器，所述至少一个辅助燃料喷射器布置在所述横焰熔融炉的所述顶部中或不包括引入燃料的燃烧器的所述侧壁中，

-模块，所述模块用于控制所述至少一个辅助燃料喷射器，以将第二部分X2的辅助燃料(其中X2+X1等于1)，

在所述再循环燃烧产物的流动方向上，

在没有额外的氧化剂的情况下，

引入所述再循环燃烧产物中，所述辅助燃料喷射器位于其中所述第二部分X2的辅助燃料将在到达通过端口引入的进入的氧化剂之前与所述再循环燃烧产物混合的位置处，

调整引入所述部分X1的燃料和所述部分X2的辅助燃料的射流的速度，使得它们对应的射流动量的总和为与当X2等于零(并且X1等于1)时所述燃料的所述射流动量对应的值的-30％至+30％，以及

将所述第一部分的燃料X1和所述第二部分的燃料X2的总和的量提供的能量调整成产生用于使所述材料熔融而不使所述炉的燃料供应过量的给定的需要的能量。

以上限定的横焰熔融炉可以能够进行如以上限定的方法的全部实施方案。

根据具体实施方案，所述至少一个辅助燃料喷射器以距第一端口和与第一端口相对的第二端口相同距离位于所述顶部中。

根据具体实施方案，所述第二系列的N个第二端口中的每一个与一系列的N个第二燃烧器中的对应的第二燃烧器相关联，以及

所述第一端口和所述第二端口可交替地操作作为入口端口和作为排出端口，当所述第二端口是排出端口时，所述第一端口是入口端口，并且当所述第二端口是入口端口时，所述第一端口是排出端口。

根据具体实施方案，成对的第一辅助燃料喷射器和第二辅助燃料喷射器与每一对相对布置的第一端口和第二端口相关联，所述第一辅助燃料喷射器和第二辅助燃料喷射器位于所述顶部中或分别位于所述第一侧壁和所述第二侧壁中(在相关联的成对的相对布置的第一端口和第二端口的第一端口和第二端口的附近)，使得所述第一辅助燃料喷射器和第二辅助燃料喷射器可交替地操作以喷射所述第二部分X2的辅助燃料，当位于所述第一辅助燃料喷射器或所述第二辅助燃料喷射器附近的对应的第一端口或第二端口是排出端口时，所述第一辅助燃料喷射器或所第二辅助燃料喷射器是可操作的。

根据具体实施方案，所述第一燃烧器和所述第二燃烧器以及所述至少一个辅助燃料喷射器用相同的燃料操作。

根据具体实施方案，一方面的所述第一燃烧器和所述第二燃烧器以及另一方面的所述至少一个辅助燃料喷射器分别用不同的燃料操作。

根据具体实施方案，一方面的所述第一燃烧器和所述第二燃烧器以及另一方面的所述至少一个辅助燃料喷射器分别用选自天然气、LPG、燃料油、焦炉气、高炉气、重整气、生物燃料、甲烷和氢的燃料操作。

根据具体实施方案，所述至少一个辅助燃料喷射器包括将喷射的辅助燃料设置成旋转以产生涡流效应的装置。

根据具体实施方案，所述至少一个辅助燃料喷射器包括调整或改变喷射的辅助燃料的射流动量的装置。

根据具体实施方案，所述第二部分X2的辅助燃料为第一部分X1的燃料和第二部分X2的燃料的总和的10％至100％。

根据具体实施方案，所述模块被配置成用于引入第二部分的辅助燃料X2，以便加强再循环燃烧产物的质量流量。

根据具体实施方案，所述模块被配置成调整或关闭一些燃烧器，以便加强再循环燃烧产物的质量流量。

根据具体实施方案，用于引入第二部分X2的辅助燃料的射流的速度为10m/s至70m/s。

根据具体实施方案，第一辅助喷射器位于距最接近第一辅助喷射器的侧壁小于熔融室的宽度的一半且大于熔融室的宽度的四分之一的距离处，并且第二辅助喷射器位于距最接近第二辅助喷射器的侧壁为熔融室的宽度的四分之一处。

本发明的其它特征和优点从给出作为实例并且参考附图的具体实施方案的以下描述中变得显而易见。

附图简述

图1是根据本发明的横焰熔融炉的纵向水平截面视图；

图2是根据本发明的横焰熔融炉的透视图，炉壳的一部分被去除；

图3是类似于图1的纵向水平截面视图，但涉及图2的横焰熔融炉的变型实施方案；以及

图4是沿图3的线IV-IV的横向垂直截面视图。

优选实施方案的描述

将结合通过实例的方式给出的优选实施方案描述本发明。在以下实例中，玻璃是待被炉熔融的材料。然而，本发明还涉及熔融其它类型的材料。可以组合不同实施方案的特征，除非另外说明。

图2中例示了本发明的实施方案的典型布置，其示意性地示出了用于使玻璃熔融的已知类型为横焰熔融炉的熔融炉10。然而，本发明不限于玻璃的熔融，并且可以对炉进行调整用于熔融其它类型的原材料。

如图2中所示，横焰熔融炉10包括通过入口(未示出)接收待熔融的玻璃的熔融槽7，入口位于熔融槽7的上游区域中。具有底部5的熔融槽7容纳熔融的玻璃浴110并且通过出口17输出熔融的玻璃浴110，出口17位于熔融槽7的下游区域中的其前壁中。

熔融室8位于熔融槽7的上方，并且包括第一侧壁2、第二侧壁1、位于熔融槽7的上游区域处的后壁3、位于熔融槽7的下游区域处的前壁4，以及顶部6。

在熔融室8的侧壁2中提供第一组水平对齐的N个第一端口31至36，而在熔融室8的侧壁1中提供第二组水平对齐的N个第二端口41至46。第二端口41至46与第一端口31至36横向对齐，从而限定了一组N对第一端口和第二端口31、41，......，36、46。

N是整数，其可以优选地包括1至8。在附图中示出的实例中，N＝6。

第一端口31至36和第二端口41至46分别与第一燃烧器11至16和第二燃烧器21至26相关联，用于将第一燃料喷射至熔融室8中。第一端口31至36和第二端口41至46可交替地操作作为用于将氧化剂(例如空气)引入室中的入口端口和作为用于燃烧产物的排出端口。当第二端口41至46是排出端口时，第一端口31至36是入口端口，并且当第二端口41至46是入口端口时，第一端口31至36是排出端口。

如图4中示意性地示出，当第一端口31至36操作作为引入氧化剂(例如空气)的入口端口并且第一燃料通过第一燃烧器11至16喷出时产生的加热燃烧器火焰103在熔融浴110上方具有长的形状并且产生通过第二端口41至46离开室的燃烧产物102。部分燃烧产物以图4上所示的再循环燃烧产物104的基本上垂直的回路再循环。

通过实例的方式，图4上进入氧化剂的离开端口32可以具有21％的氧的量，而燃烧产物102和再循环燃烧产物具有2％的氧的量。

类似地在交替的时间段期间，循环被反转：第一燃料通过燃烧器21至26而不是燃烧器11至16被喷射，氧化剂通过第二端口41至46进入并且燃烧产物通过第一端口31至36最终被排出，燃烧器11至16是闲置的。再循环燃烧产物也以具有相反的取向的火焰上方的基本上垂直的回路再循环。

因此，第一端口31至36和第二端口41至46以及相关联的第一燃烧器11至16和第二燃烧器21至26交替地并且反复地用作燃烧器以混合第一燃料与氧化剂(通常是空气或氧气)。第一组N个第一端口31至36与第二组N个第二端口41至46之间的转换以及对应地第一组N个第一燃烧器11至16与第二组N个第二燃烧器21至26之间的转换循环地出现，循环时间是例如10分钟至30分钟，更具体地20分钟至30分钟。第一部分X1的燃料经由交替地操作的第一燃烧器11至16和第二燃烧器21至26喷射至熔融室8中。当熔融炉未配备本发明的辅助燃料喷射器时，X1等于1。

有利地，第一蓄热式热交换器和第二蓄热式热交换器(未示出)与第一端口31至36和第二端口41至46在操作上相关联。环境燃烧空气在通过先前循环的热的燃烧产物再加热的第一蓄热式热交换器中被预热。然后将预热的氧化剂(空气)朝向第一燃烧器11至16的第一端口31至36引导。然后将产生的燃烧产物朝向第二蓄热式热交换器(未示出)引导，以便将其再加热并且在下一个循环期间预热待通过第二燃烧器21至26的第二端口41至46应用的氧化剂。

在其中第一燃烧器被操作以引入燃料的循环期间，第一燃烧器将第一部分X1的燃料引入熔融室中。引入燃料的射流J1表示在图1、图3和图4上。模块可以控制射流J1。

根据实施方案，辅助燃料喷射器51至56布置在横焰熔融炉10的顶部6中，用于每一对相对布置的第一端口和第二端口31、41；...；36、46。

辅助燃料喷射器可以沿成对的端口的中心线布置。

辅助燃料喷射器51至56被布置成使得它们将第二部分X2的辅助燃料(其中X2+X1等于1)喷射或引入燃烧室8中：

在所述再循环燃烧产物104的流动方向上，

在没有额外的氧化剂的情况下，

进入所述再循环燃烧产物中，辅助燃料喷射器位于其中所述第二部分X2的辅助燃料将在到达通过端口引入的进入的氧化剂之前与再循环燃烧产物混合的位置处，

调整引入部分X1的燃料和部分X2的辅助燃料的射流的速度，使得它们对应的射流动量的总和为与当X2等于零(并且X1等于1)时燃料的射流动量对应的值的-30％至+30％，以及

将第一部分的燃料X1和第二部分的燃料X2的总和的量提供的能量调整成产生用于使所述材料熔融而不使所述炉的燃料供应过量的给定的需要的能量。

引入辅助燃料的射流J2表示在图1、图3和图4上。如图4上可以看出，朝向将氧化剂引入室中的对应的端口引导射流J2。模块可以控制射流J2。

在通过第一燃烧器11至16、第二燃烧器21至26和额外的燃料喷射器喷射至熔融室8的100％的第一燃料和第二燃料(量X)中，通过额外的燃料喷射器射出的部分X2的燃料射流优选地为总和X的10％至100％。

通过第一燃烧器11至16、第二燃烧器21至26和辅助燃料喷射器喷射的燃料可以选自天然气、LPG、燃料油、焦炉气、高炉气、重整气、生物燃料、甲烷和氢。

以上提及的燃烧产物的再循环以在火焰上方基本上垂直的回路延伸一段长度(从点燃侧的侧壁测量)，长度必须是已知的，以便找到用于辅助燃料喷射器的最佳位置。此外，必须以保持燃烧产物再循环的方式确定辅助燃料的喷射参数和部分X2。再循环的尺寸和强度可以例如使用通过Thring(以上提及的)、Craya(Craya A和Curtet R,‘On thespreading of a confined jet’,Comptes-rendus de l’Academie des Sciences,Paris,241,1955)和其它人得到的以下等式来计算：

x＝4,5×h (1)

其中：

x是侧壁(点燃侧)至其中炉中不再进行再循环的点的距离，

h是玻璃表面、炉前壁和炉后壁以及炉顶部之间的空间的液压高度，

qr是每单位时间和每个端口的再循环的燃烧产物的质量，

Q是每单位时间和每个端口的进入炉的燃料和氧化剂的总质量，

G0是每个端口的进入的燃料射流的动量(质量流率乘以速度)，

Ga是每个端口的进入的氧化剂的动量(质量流率乘以速度)，

Ginf是每个端口的离开的热的排出气体的动量(当它们填充炉室时，其质量流率乘以其平均速度)，以及

m是无量纲数(Craya Curtet数)，其涉及进入的燃料流和氧化剂流与离开的燃烧产物的相对射流动量。

炉的高度一般被确定为足够使燃烧产物进行明显的再循环。就再循环燃烧产物的质量流率而言，当应用于等式(2)时，天然气作为燃料和空气作为氧化剂以及典型的空气和气体速度的典型值表明，在顶部下方和火焰上方的基本上垂直的回路中再循环的排出气体的质量约等于燃料和氧化剂的进入的质量流量。这证实存在足够的再循环以携带高达100％的进入炉的燃料流量(进入炉的总质量流量的约1/20)，而不影响炉的流动模式和炉的操作。

然而，当燃料从燃烧器中被去除以供应辅助燃料喷射器时(例如，因为引入第二部分X2，所以第一部分X1必须减小)，等式(2)表明，如果喷射器不在以上限定的方向上并且如果它们不以以上提及的速度喷射，再循环速率将最终下降至太低而不能携带辅助燃料并且保持炉的流动模式的值。

根据图1和图2中例示以及在图4中以虚线例示的第一实施方案，与成对的相对布置的第一端口和第二端口31、41；...；36、46相关联的辅助燃料喷射器51至56包括单个燃料喷射器，所述单个燃料喷射器位于顶部6中与相关联的成对的相对布置的第一端口和第二端口31、41；...；36、46中的第一端口和第二端口的距离相同。

辅助燃料喷射器51至56可以包括涡流室以将燃料扩散在燃烧产品的再循环回路中。

为了例如在多端口横焰炉中的改善的有效性并且因此改善再循环流的稳定性，辅助燃料喷射器可以将辅助燃料的较高动量射流引导至再循环燃烧产物104的方向上，以保持并且增强其再循环和质量流量。这还将允许在随着使用年限累积而遭遇排出端口堵塞的横焰熔融炉中使用辅助喷射器。

根据图3中例示以及还在图4(实线)中例示的第二实施方案，辅助燃料喷射器包括与每一对相对布置的第一端口和第二端口31、41；…；33、43相关联的第一燃料喷射器和第二燃料喷射器61、71；…；66、76。第一辅助燃料喷射器和第二辅助燃料喷射器61、71；…；66、76位于顶部6中。

第一辅助燃料喷射器和第二辅助燃料喷射器61、71；…；66、76可交替地操作以在所述再循环燃烧产物104的流动方向上喷射第二部分X2的辅助燃料，而没有额外的氧化剂。由于当反转点火方向时将反转再循环燃烧产物的流动方向，因此当位于所述第一辅助燃料喷射器或第二辅助燃料喷射器(61、71；…；66、76)附近的对应的第一端口或第二端口(31、41；…；36、46)是排出端口时，第一辅助燃料喷射器和第二辅助燃料喷射器61、71；…；66、76是可操作的。

应注意，在各种实施方案中，引入第二部分X2的辅助燃料的射流的速度可以为10m/s至70m/s。

根据变型实施方案，辅助燃料喷射器51至56或61至66以及71至76各自包括将喷射的辅助燃料设置成旋转以产生涡流效应的装置。这可以增加燃料与再循环燃烧产物在熔融室8中的混合。

根据另一个变型实施方案，辅助燃料喷射器51至56或61至66以及71至76各自包括调整或改变喷射的辅助燃料的射流动量或射流脉冲或射流速度的装置。

在替代的实施方案(未示出)中，辅助喷射器可以位于侧壁中。在此类实施方案中，当在相对的侧壁上的对应的端口引入氧化剂时，可以仅使用辅助喷射器。

本发明的实施方案可以还涉及通过横焰熔融炉10使原材料熔融的方法，所述横焰熔融炉10具有：

-熔融槽7，所述熔融槽7用于接收待熔融的原材料并且用于容纳熔融的材料浴；

-熔融室8，所述熔融室8位于所述熔融槽上方并且包括第一侧壁、与所述第一侧壁相对的第二侧壁、位于所述熔融槽的上游区域处的后壁、位于所述熔融槽的下游区域处的前壁，以及顶部；

-N个第一端口31、…、36，所述N个第一端口31、…、36提供在所述第一侧壁中的所述后壁与所述前壁之间的水平间隔的位置中，所述至少一系列的N个第一端口31、…、36中的每一个与一系列的N个第一燃烧器11、…、16中的对应的第一燃烧器相关联；

-N个第二端口41、…、46，所述N个第二端口41、…、46位于所述第二侧壁中的所述后壁与所述前壁之间的水平间隔的位置中，所述N个第二端口中的每一个位于第一端口的对面以限定N对第一端口和第二端口31、41，…，36、46；

其中再循环燃烧产物在火焰上方以基本上垂直的回路流动；

所述方法包括：

将第一部分X1的燃料经由所述第一燃烧器引入所述熔融室中，

使用至少一个辅助燃料喷射器51引入第二部分X2的辅助燃料，其中X2+X1等于1，所述至少一个辅助燃料喷射器布置在所述横焰熔融炉中的所述顶部中或不包括引入燃料的燃烧器的所述侧壁中，使得所述至少一个辅助燃料喷射器将所述第二部分X2的辅助燃料，

在所述再循环燃烧产物的所述流动方向上，

在没有额外的氧化剂的情况下，

引入所述再循环燃烧产物中，所述辅助燃料喷射器位于其中所述第二部分X2的辅助燃料将在到达通过端口引入的进入的氧化剂之前与所述再循环燃烧产物混合的位置处，

调整引入所述部分X1的燃料和所述部分X2的辅助燃料的射流的速度，使得它们对应的射流动量的总和为与当X2等于零(并且X1等于1)时所述燃料的射流动量对应的值的-30％至+30％，以及

将第一部分的燃料X1和第二部分的燃料X2的总和的量提供的能量调整成产生用于使所述材料熔融而不使所述炉的燃料供应过量的给定的需要的能量。

一般而言，本发明提供了简化的制造方法、提高了性能并且降低了成本。

尽管已经示出并且描述了优选实施方案，但应理解，在不背离所附权利要求中所限定的本发明的范围的情况下，可以在本文中进行任何改变和修改。因此可以组合不同实施方案的特征。

Claims (15)

1.通过横焰熔融炉(10)使原材料熔融的方法，所述横焰熔融炉(10)具有：

-熔融槽(7)，所述熔融槽(7)用于接收待熔融的原材料并且用于容纳熔融的材料浴；

-熔融室(8)，所述熔融室(8)位于所述熔融槽上方并且包括第一侧壁、与所述第一侧壁相对的第二侧壁、位于所述熔融槽的上游区域处的后壁、位于所述熔融槽的下游区域处的前壁，以及顶部；

-N个第一端口(31、…、36)，所述N个第一端口(31、…、36)提供在所述第一侧壁中的所述后壁与所述前壁之间的水平间隔的位置中，所述至少一系列的N个第一端口(31、…、36)中的每一个与一系列的N个第一燃烧器(11、…、16)中的对应的第一燃烧器相关联；

-N个第二端口(41、…、46)，所述N个第二端口(41、…、46)位于所述第二侧壁中的所述后壁与所述前壁之间的水平间隔的位置中，所述N个第二端口中的每一个位于第一端口的对面以限定N对第一端口和第二端口(31、41，…，36、46)；

其中再循环燃烧产物在火焰上方以基本上垂直的回路流动；

所述方法包括：

将第一部分X1的燃料经由所述第一燃烧器引入所述熔融室中，

使用至少一个辅助燃料喷射器(51)引入第二部分X2的辅助燃料，其中X2+X1等于1，所述至少一个辅助燃料喷射器布置在所述横焰熔融炉中的所述顶部中或不包括引入燃料的燃烧器的所述侧壁中，使得所述至少一个辅助燃料喷射器将所述第二部分X2的辅助燃料，

在所述再循环燃烧产物(104)的所述流动方向上，

在没有额外的氧化剂的情况下，

引入所述再循环燃烧产物中，所述辅助燃料喷射器位于其中所述第二部分X2的辅助燃料将在到达通过端口引入的进入的氧化剂之前与所述再循环燃烧产物混合的位置处，

调整引入所述部分X1的燃料和所述部分X2的辅助燃料的射流的速度，使得它们对应的射流动量的总和为与当X2等于零时所述燃料的射流动量对应的值的-30％至+30％，以及

将第一部分的燃料X1和第二部分的燃料X2的总和量提供的能量调整成产生用于使所述材料熔融而不使所述炉的燃料供应过量的给定的需要的能量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个辅助燃料喷射器(51、…、56)以距第一端口和与所述第一端口相对的第二端口(31、41；…；36、46)相同距离位于所述顶部中。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二系列的N个第二端口(41至46)中的每一个与一系列的N个第二燃烧器(21至26)中的对应的第二燃烧器相关联，以及

所述第一端口(31至36)和所述第二端口(41至46)可交替地操作作为入口端口和作为排出端口，当所述第二端口(41至46)是排出端口时，所述第一端口(31至36)是入口端口，并且当所述第二端口(41至46)是入口端口时，所述第一端口(31至36)是排出端口。

4.根据权利要求3所述的方法，其中成对的第一辅助燃料喷射器和第二辅助燃料喷射器(61、71；…；66、76)与每一对相对布置的第一端口和第二端口(31、41；…；36、46)相关联，所述第一辅助燃料喷射器和所述第二辅助燃料喷射器(61、71；…；66、76)位于所述顶部(6)中或分别位于所述第一侧壁和所述第二侧壁(2、1)中在相关联的成对的相对布置的第一端口和第二端口(31、41；…；36、46)中的所述第一端口和所述第二端口的附近，使得所述第一辅助燃料喷射器和第二辅助燃料喷射器(61、71；…；66、76)可交替地操作以喷射所述第二部分X2的辅助燃料，当位于所述第一辅助燃料喷射器或所述第二辅助燃料喷射器(61、71；…；66、76)附近的对应的第一端口或第二端口(31、41；…；36、46)是排出端口时，所述第一辅助燃料喷射器或所述第二辅助燃料喷射器(61、71；…；66、76)是可操作的。

5.根据权利要求3或4中任一项所述的方法，其中所述第一燃烧器和所述第二燃烧器(11至16、21至26)以及所述至少一个辅助燃料喷射器(51至56；61至66；71至76)用相同的燃料操作。

6.根据权利要求3或4中任一项所述的方法，其中一方面的所述第一燃烧器和所述第二燃烧器(11至16、21至26)以及另一方面的所述至少一个辅助燃料喷射器(51至56；61至66；71至76)分别用不同的燃料操作。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中一方面的所述第一燃烧器和所述第二燃烧器(11至16、21至26)以及另一方面的所述至少一个辅助燃料喷射器(51至56；61至66；71至76)分别用选自天然气、LPG、燃料油、焦炉气、高炉气、重整气、生物燃料、甲烷和氢的燃料操作。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述至少一个辅助燃料喷射器(51至56；61至66；71至76)包括将喷射的辅助燃料设置成旋转以产生涡流效应的装置。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述至少一个辅助燃料喷射器(51至56；61至66；71至76)包括调整或改变喷射的辅助燃料的射流动量的装置。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中所述第二部分X2的辅助燃料为所述第一部分X1的燃料和所述第二部分X2的燃料的总和的10％至100％。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，包括引入所述第二部分的辅助燃料X2，以便加强再循环燃烧产物的质量流量。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，包括调整或关闭一些燃烧器，以便加强再循环燃烧产物的质量流量。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中用于引入所述第二部分X2的辅助燃料的射流的速度为10m/s至70m/s。

14.根据权利要求4所述的方法，其中所述第一辅助喷射器位于距最接近所述第一辅助喷射器的所述侧壁为所述熔融室的宽度的四分之一处，并且所述第二辅助喷射器位于距最接近所述第二辅助喷射器的所述侧壁为所述熔融室的宽度的四分之一处。

15.横焰熔融炉，包括：

-熔融槽(7)，所述熔融槽(7)用于接收待熔融的原材料并且用于容纳熔融的材料浴；

-熔融室(8)，所述熔融室(8)位于所述熔融槽上方并且包括第一侧壁、与所述第一侧壁相对的第二侧壁、位于所述熔融槽的上游区域处的后壁、位于所述熔融槽的下游区域处的前壁，以及顶部；

-N个第一端口(31、…、36)，所述N个第一端口(31、…、36)提供在所述第一侧壁中的所述后壁与前壁之间的水平间隔的位置中，所述至少一系列的N个第一端口(31、…、36)中的每一个与一系列的N个第一燃烧器(11、…、16)中的对应的第一燃烧器相关联，所述N个第一燃烧器(11、…、16)将第一部分X1的燃料经由所述第一燃烧器引入所述熔融室中，而再循环燃烧产物在火焰上方以基本上垂直的回路流动；

-N个第二端口(41、…、46)，所述N个第二端口(41、…、46)位于所述第二侧壁中的所述后壁与所述前壁之间的水平间隔的位置中，所述N个第二端口中的每一个位于第一端口的对面以限定N对第一端口和第二端口(31、41，…，36、46)；

-至少一个辅助燃料喷射器(51)，所述至少一个辅助燃料喷射器(51)布置在所述横焰熔融炉的所述顶部中或不包括引入燃料的燃烧器的所述侧壁中，

-模块，所述模块用于控制所述至少一个辅助燃料喷射器，以将第二部分X2的辅助燃料，

在所述再循环燃烧产物(104)的流动方向上，

在没有额外的氧化剂的情况下，

引入所述再循环燃烧产物中，其中X2+X1等于1，所述辅助燃料喷射器位于其中所述第二部分X2的辅助燃料将在到达通过端口引入的进入的氧化剂之前与所述再循环燃烧产物混合的位置处，

调整引入所述部分X1的燃料和所述部分X2的辅助燃料的射流的速度，使得它们对应的射流动量的总和为与当X2等于零时所述燃料的所述射流动量对应的值的-30％至+30％，以及

将所述第一部分的燃料X1和所述第二部分的燃料X2的总和量提供的能量调整成产生用于使所述材料熔融而不使所述炉的燃料供应过量的给定的需要的能量。

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